Технології віртуалізації: вчора, сьогодні, завтра (стр. 3 из 8)

1. Він вибирає з фізичної пам'яті ще ніким не зайняту сторінку, або навіть звільняє одну зі сторінок, зберігаючи її дані на диск, і скидаючи відповідний P-прапор в таблиці трансляції.

2. Читає потрібне місце своп-файлу, копіюючи дані з неї в цю сторінку.

3. «Модернізує» таблицю трансляції, прописуючи в ній новий фізичну адресу для сторінки, через яку стався збій.

4. Оновлює при необхідності дані в буфері TLB.

Після цих маніпуляцій «проблемний» адреса віртуальної пам'яті, який посилається на неіснуючу у фізичній пам'яті сторінку стає вже не таким вже й «проблемним» - потрібні дані вже завантажені в пам'ять, і таблиця трансляції потрібним чином оновлена. Так що оброблювачеві сигналу # PF залишається тільки повернути управління спочатку працювала програмі - і остання продовжить свою роботу, як ні в чому не бувало, навіть не здогадуючись про те, що в якомусь її місці одне-єдине звернення в пам'ять спровокувало таку довгу і складну процедуру «свопу» даних у фізичній пам'яті і на жорсткому диску.

Інші «популярні» застосування P-прапора віртуальної пам'яті дозволяють реалізовувати, приміром техніку «меппінга файлів на пам'ять». «Меппінга» - це коли програма за технологією, аналогічної техніки свопінгу, відображає за запитом програми той або інший файл у простір віртуальних адрес програми. Тобто можна домогтися того, щоб читання з елементу пам'яті # 13323658 виливалася б у автоматичне читання якого-небудь файлу program.data з позиції 3446. Це, по-перше, дуже зручно (файл не потрібно «читати» або «писати» - він вже доступний програмі у вигляді звичайного масиву або набору масивів), по-друге, дуже швидко (виробляється лише мінімально необхідний набір дій по завантаженню або записи даних), а по-третє, дуже ефективно (файл автоматично «кешується» в оперативній пам'яті, невживані сторінки з цього кеша автоматично ж прибираються, звільняючи фізичну пам'ять, при збереженні зберігаються тільки дійсно змінилися фрагменти файлу, а не все підряд, і т. п.). Хоча з-за обмежень порівняно вузького доступного програмі, яка працює під управлінням 32-бітних версій Microsoft Windows, віртуального простору в 2-3 Гбайт, і дуже громіздкою і незручною реалізації даної техніки засобами Win32 API, використовується вона досить рідко.

Більш складний приклад, вповні віртуальну пам'ять: реалізація систем з нібито загальною пам'яттю в системах, де ця пам'ять спочатку роздільно. Наприклад, у різних комп'ютерах, з'єднаних за допомогою локальної мережі (у загальному випадку - у кластерах). Ідея подібних систем полягає в тому, щоб при зверненні програми з віртуального адресою, відповідного «чужий» пам'яті, викликати оброблювач, який згенерує звернення по мережі до «чужої» машині, отримавши яке, ця машина виконає потрібну операцію з пам'яттю і поверне первісної машині відповідь, який відобразиться в програмі. У результаті можна добитися такого ефекту, що у декількох фізично абсолютно різних комп'ютерів для програм віртуальна пам'ять буде перетинатися, або взагалі повністю збігатися.

Це і є суть «віртуальної пам'яті» - користувальницька програма ніколи не може з упевненістю стверджувати, що ховається за абстрактним віртуальним адресою. Ми можемо як завгодно «дурити» її, здійснюючи за її спиною підтасування з реальними адресами, і домагатися з цією допомогою найрізноманітніших ефектів. Втім, про це ми поговоримо в наступному розділі. А поки - перерахуємо основні і більш затребувані переваги віртуальної пам'яті:

· Віртуальна пам'ять має всі переваги сегментованої.

· Але при цьому розміри віртуальної пам'яті, виділеної програмі, можуть як завгодно гнучко змінюватися.

· Віртуальна пам'ять може «фізично» розміщуватися не тільки в оперативній пам'яті, але і на жорсткому диску і навіть у Мережі.

· Віртуальна пам'ять не зобов'язана бути безперервної - її можна «нарізати» взагалі як завгодно, лише б це нам було зручно.

· Можна задавати довільне число «пересічних» областей віртуальної пам'яті для різних програм, аж до того, що одні й ті ж дані будуть багаторазово відображені в адресний простір програми за різними адресами.

· Віртуальна пам'ять забезпечує дуже гнучку багаторівневий захист оперативної пам'яті, що дозволяє відловлювати будь-які помилкові дії програми.

· І не тільки помилкові: в задачах налагодження додатків віртуальна пам'ять дозволяє, наприклад, відстежити в будь-який момент таке «налагоджувальної подія», як просте читання програмою того чи іншого адреси в пам'яті.

Мінусів у віртуальній пам'яті всього два. По-перше, вона істотно уповільнює роботу комп'ютера (навіть проста трансляція віртуальних адрес, які не потрапили в TLB - дуже неквапливий заняття; обробка ж події # PF - і зовсім здатна зайняти сотні тисяч тактів процесора), а по-друге, - складна і абсолютно непрозора для рядового програміста.

а) Паравіртуалізація і бінарна трансляція

Отже, як ми вже сказали, всі користувальницькі програми сьогодні, фактично, працюють на «віртуальних» комп'ютерах - їм надається якась «узагальнено-стандартна» середовище виконання з віртуальною оперативною пам'яттю, і з цим «віртуальним комп'ютером» вони вільно працюють, не замислюючись про те, які реальні фізичні ресурси за цією віртуальністю стоять. Центральна завдання операційної системи - це підтримка цієї «віртуальної реальності» та своєчасне розподіл між цими віртуальності реальних апаратних ресурсів. Сама операційна система теж живе на одному з «віртуальних комп'ютерів», але, на відміну від всіх інших «мешканців» комп'ютера, володіє можливістю свою (і чужі) «реальності» змінювати і співвідносити з фізичними ресурсами комп'ютера.

І вже сама по собі подібна можливість дозволяє, насправді, реалізовувати практично все, що завгодно, з користувацькими додатками. Приміром, потенційно можна взяти, «зберегти» стан програми на флешку, «скопіювати» на інший комп'ютер і «продовжити» виконання програми вже на іншому комп'ютері. Можна (потенційно) запускати в одній і тій же операційній системі як Windows, так і POSIX-додатки (Linux, Unix-системи) - достатньо вміти створювати два «типу» віртуальних комп'ютерів, щоб кожен додаток отримувало рівно те середовище виконання, в якій воно звикло працювати. Але, на жаль, для користувача, подібні «хитрощі», що вимагають активної підтримки з боку операційної системи, реалізувати на практиці далеко не так просто, як розповісти про них. І забезпечити, скажімо, «рідну» підтримку Windows-додатків в Linux, так само як і зворотний підтримку Linux-додатків в Windows, з причини активної протидії Microsoft, неможливо. А тому користувач змушений обходитися без деяких цікавих функцій і задовольнятися Windows-додатками на Windows-системах і Linux-додатками на Linux-системах.

Як вихід із ситуації виникає цілком логічна пропозиція: якщо вже ми не можемо об'єднати в одній операційній системі можливості кількох різних ОС, то чому б одночасно запустити на своєму комп'ютері не одну, а відразу декілька операційних систем? Заодно і надійність підвищимо: якщо одна з операційних систем «впаде», інша залишиться, і буде здатна відновити «спав».

Виявляється, що це не настільки вже й важко зробити. Дивіться: наші операційні системи - по суті справи, ті ж самі звичайні програми, що працюють з віртуальними комп'ютерами, але хіба що наділені трохи більше широкими привілеями і тому володіють здатністю «трансформувати» навколишнє середовище під свої потреби. Тому можливі цілих два способи забезпечити одночасну їх роботу на одному і тому ж комп'ютері.

Спосіб перший - це «спосіб свідомого співробітництва»: зводиться до того, що наші ОС будуть «враховувати інтереси» один одного, розподілять між собою апаратні ресурси, і надалі будуть працювати так, щоб не нашкодити своїми «надзвичайними повноваженнями» операційної системи іншій системі. Подібний підхід вельми широко практикується в * nix-подібних операційних системах і називається паравіртуалізаціей. Однак оскільки даний спосіб вимагає серйозної модифікації ядра ОС, на яке, приміром, усе та ж Microsoft, яка домінує на ринку операційних систем, природно, не погоджується, то особливої популярності серед «звичайних користувачів» він отримати не зумів.

Схема 5. Паравиртуализация

Другий спосіб дуже добре знаком «просунутим користувачам» згідно з додатками типу VMWare Workstation, що забезпечує успішний запуск на одному комп'ютері з-під «базової» операційної системи кількох «гостьових» операційних систем без спеціальної їх модифікації. «Гостьова» операційна система разом з усіма її додатками фактично стає одним «звичайним» додатком «батьківського» операційної системи, з-під якої вона запущена. Ідея тут дуже проста: використовуючи віртуальну пам'ять, ми можемо зімітувати віртуальний комп'ютер практично будь-якої складності: так що «гостьовий» операційній системі просто «підсовується» віртуальна машина, яка дуже схожа на «фізичну" x86-машину. «Гість» приймає «обманку» за справжній комп'ютер - і цілком успішно починає на цій віртуальній машині, імітованої «батьківського» ОС, працювати. Зверніть увагу, на те, що це не підхід, аналогічний «віртуальній машині Java» або емуляторам стародавнього Sinclair, коли програма-емулятор віртуальної машини «вручну» розбирає код додатку і «вручну» ж виконує кожну його інструкцію. Гостьова операційна система і всі запущені в її рамках програми працюють на фізичних ресурсах комп'ютера практично так само, як це робить звичайне запущене на ньому додаток, а «віртуалізується додаток» тільки забезпечує контроль над ним - тонюсінька прошарок коду, підтримана стандартними апаратними ресурсами комп'ютера. Давайте розберемо трошки детальніше, як таке виявляється можливим.